深埋煤矿盘区岩巷底鼓发生机理及支护设计研究.pdf

论文题目深埋煤矿盘区岩巷底鼓发生机理及支护设计研究 专 业岩土工程 硕 士 生孟 昌 （签名） 指导老师任建喜 （签名） 摘 要 开展深埋煤矿岩巷底鼓发生机理及支护技术具有重要的工程应用价值， 本文以彬长 矿区某矿盘区 2辅助运输大巷为依托，采用室内实验、理论分析、数值模拟及现场试验 相结合的方法对大巷底鼓的发生过程、 影响因素、 力学模型以及支护技术等进行了研究。 主要工作和结论有 （1）基于岩石单轴压缩试验应力应变特性，分析得到岩巷底鼓的发生过程经历了 压缩变形、弹性变形、弹塑性变形、软化和滑移等五个阶段；通过室内试验得到大巷底 板泥岩蒙脱石等亲水物质含量过高，遇水极易发生膨胀，且产生较大膨胀力；将底板岩 石划分为中膨胀性软岩，并确定该巷道底鼓类型为遇水膨胀性底鼓，全面揭示了深埋岩 巷底鼓发生机理。 （2）分析得到底鼓发生的主要影响因素有高应力下岩石流变、软岩膨胀性、底板 未支护以及巷道掘进和邻近采区采动；建立深埋巷道底鼓力学模型，求解得到大巷底板 围岩压力，从弹塑性形变、软岩膨胀性以及流变三方面考虑，进行了巷道底鼓量估算， 提出了增设钢筋混凝土反底拱底角锚杆的全断面支护方案，并完成大巷底鼓支护方案 设计。 （3）采用 FLAC 数值模拟方法对提出的大巷底鼓支护方案的可行性进行验证，结 果表明，采用全断面支护方案后，巷道围岩变形较小，底鼓治理效果显著，提出的大巷 底鼓支护设计方案可行。 （4）现场试验监测结果表明，巷道底鼓量为 22.4mm，相比治理前明显减小，底板 变形得到了有效地控制，能够满足盘区运输大巷变形要求。研究成果对类似工程有参考 价值。 关 键 词深埋岩巷；底鼓机理；支护设计；反底拱；FLAC 模拟 研究类型应用基础研究 万方数据 Subject Study on the Mechanics and Support Technology of the Roadway Floor Heave in Deep Mine Block Specialty Geotechnical Engineering Name Meng Chang （（Signature）） Instructor Ren Jianxi （（Signature）） ABSTRACT It’s important engineering application value to research the mechanics and supporting technology of the roadway floor heave in deep mine. Depended on the second assistant lane in a coalmine in Bin Chang mine area, the mechanics and supporting technology of the tunnel floor heave was researched by the combination means of lab experiment, theoretical analysis, numerical simulation and site tests. The main work and conclusions are （1）Based on the stress and strain factor of rock unIaxial compression, the occur phase of tunnel floor heave was obtained, which included compression, elasticity, elastic – plastic, sottening state and slip state deation. The result of indoor test showed that the rock factor of roadway floor consisted of too much montmorillonite, which easily lead to expand and produce large expansion stress. The floor rock of roadway was divided into moderate soft rock , at the same time, the type of floor heave was ensured to be hydor-expansiveness. The above analysis revealed the mechanics of roadway floor heave. （2）The main influence factors of floor roadway heave had rock rheology, soft rock expansion, floor un-supporting, excavation nearby the roadway and the influence nearby the mine area. Based the above analysis, the mechanical model of floor heave was established and the floor stress was calculated. Considered from three aspects ,which were elastic – plastic deation, hydor-expansiveness deation, and rheology deation, the floor heave value was estimated.Finally, the floor heave support program ,which was to added the reinforced concrete inverted arch floor heave mechanics; supporting technology; inverted arch; FLAC numerical simulation Thesis Application fundamental study 万方数据 目录 I 目录 1 绪论 .................................................................................................................... 1 1.1 问题的提出 .................................................................................................................. 1 1.1.1 选题背景 ........................................................................................................... 1 1.1.2 研究意义 ........................................................................................................... 2 1.2 国内外研究现状 .......................................................................................................... 3 1.2.1 深埋煤矿巷道变形特征 ................................................................................... 3 1.2.2 深埋巷道底鼓发生机理 ................................................................................... 4 1.2.3 深埋巷道底鼓支护技术 ................................................................................... 6 1.3 研究内容及技术方法 .................................................................................................. 9 1.3.1 研究内容 ........................................................................................................... 9 1.3.2 技术路线 ......................................................................................................... 10 2 深埋煤矿巷道底鼓发生机理分析 .................................................................. 11 2.1 巷道底鼓分类及发生过程 ........................................................................................ 11 2.1.1 巷道底鼓分类 ................................................................................................. 11 2.1.2 巷道底鼓发生过程 ......................................................................................... 14 2.2 巷道底板岩石物理力学性质及成分分析 ................................................................ 16 2.2.1 岩石物理力学试验 ......................................................................................... 16 2.2.2 岩石膨胀性试验 ............................................................................................. 17 2.2.3 岩石 X 射线衍射试验 .................................................................................... 19 2.2.4 试验结果分析 ................................................................................................. 21 2.3 巷道底鼓成因及影响因素 ........................................................................................ 21 2.3.1 巷道底鼓成因分析 ......................................................................................... 21 2.3.2 巷道底鼓影响因素 ......................................................................................... 22 2.4 巷道底鼓力学模型及力学分析 ................................................................................ 24 2.4.1 巷道底鼓力学模型 ......................................................................................... 24 2.4.2 巷道底鼓力学分析 ......................................................................................... 25 2.5 本章小结 .................................................................................................................... 27 3 彬长矿区某矿盘区岩巷底鼓支护设计 .......................................................... 28 3.1 工程概况 .................................................................................................................... 28 3.1.1 工程地质条件 ................................................................................................. 28 3.1.2 水文地质条件 ................................................................................................. 29 万方数据 目录 II 3.1.3 巷道原有支护形式及参数 ............................................................................. 29 3.2 2辅运大巷底鼓量计算及支护方案确定 ................................................................ 30 3.2.1 底鼓量计算 ..................................................................................................... 30 3.2.2 底鼓支护方案确定 ......................................................................................... 34 3.3 2辅运大巷底鼓支护方案设计 ................................................................................ 35 3.3.1 底鼓支护原则 ................................................................................................. 35 3.3.2 底鼓支护方案设计 ......................................................................................... 35 3.3.3 底鼓支护参数确定 ......................................................................................... 37 3.4 2辅运大巷底鼓支护方案可行性数值模拟 ............................................................ 39 3.4.1 FLAC 数值计算原理 ...................................................................................... 39 3.4.2 计算工况及模型建立 ..................................................................................... 39 3.4.3 边界条件及本构模型 ..................................................................................... 40 3.4.4 计算参数确定 ................................................................................................. 41 3.4.5 计算监测点布置 ............................................................................................. 42 3.4.6 计算结果分析 ................................................................................................. 42 3.5 小结 ............................................................................................................................ 49 4 现场工业试验效果评价 .................................................................................. 50 4.1 工业试验实施方案 .................................................................................................... 50 4.1.1 试验位置 ......................................................................................................... 50 4.1.2 施工工艺 ......................................................................................................... 51 4.1.3 技术要求 ......................................................................................................... 52 4.2 工业试验监测方案 .................................................................................................... 53 4.2.1 试验段监测内容 ............................................................................................. 53 4.2.2 试验段监测断面布置 ..................................................................................... 55 4.3 监测结果分析 ............................................................................................................ 55 4.4 数值模拟与现场实测对比 ........................................................................................ 60 4.5 小结 ............................................................................................................................ 60 5 结语 .................................................................................................................. 62 5.1 结论 ............................................................................................................................ 62 5.2 展望 ............................................................................................................................ 62 致谢 ..................................................................................................................... 64 参考文献 ............................................................................................................. 65 附录 ..................................................................................................................... 70 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 问题的提出 1.1.1 选题背景 煤炭作为世界主要能源， 推动着工业飞速发展， 尤其是对于我们这个工业发展迅猛、 需求日益增长的国家，煤炭目前仍是经济发展的主要能源 [1]。随着工业发展对煤炭需求 的日益增多，许多早期煤矿开采逐渐面临枯竭，因此，越来越多的煤矿不得不转向深部 开采，而且开采深度逐年增大。开采深度的增大又带来了巷道支护困难、开采安全等问 题 [2]。据报道，目前我国中西部煤矿开采深度每年增长 812m，而东部地区开采深度增 速更高，达到 1025m/a，按照这种增长速度，专家预测未来 20 年我国将有更多煤矿的 开采深度进入到 1000～1500m 范围 [3]，见图 1.1。有关资料显示[4-6], 目前超过 600m 开 采深度的煤矿几乎占了一半，正在开采的超过千米矿井高达数十个，譬如巨野、淮南、 济宁、新汉等煤矿。从目前国内外许多矿井的开采实践来判断，当开采深度达到 700m 以上就会表现明显的深部开采特征。开采深度的增加不仅增大了开采成本，同时要面临 高温、高地应力、围岩大变形、巷道支护困难等众多问题，其中软岩巷道底鼓和巷道支 护困难是深埋煤矿开采所面临的普遍难题。 288 428 500 700 1200 0 200 400 600 800 1000 1200 开采深度/m 19801990200020102020 时间/a 图 1.1 我国煤矿开采深度发展示意图 根据对我国众多煤矿巷道底鼓现场监测数据分析得出深部开采中，倘若底板不采 取支护措施，巷道顶底板收敛量的 2/3 或者 3/4 是底板隆起引起的。底板隆起必然影响 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 煤矿开采效率，许多煤矿采用起底、加强底板支护等措施解决底鼓问题，但往往达不到 预期效果，有些巷道需要进行多次底鼓返修。据统计，我国煤矿每年治理底鼓费用占巷 道支护维修总费用的一半以上，底鼓不仅造成重大经济损失，还影响煤矿生产效率 [7-10]。 巷道发生底鼓，首先致使巷道断面变小，严重阻碍巷道通风和运输，甚至威胁行人 安全；其次，底鼓发生引起底板围岩应力改变，对巷道顶板及两帮的围岩应力状态及稳 定性产生重要影响，并且改变原有支护系统的受力方式，降低其支护性能，造成围岩变 形无法得到控制，甚至引起巷道失稳破坏，从而给煤矿生产带来不便。因此，为了避免 巷道支护不当引发的底鼓，减少底鼓巷道返修费用，提高生产效率，底鼓巷道支护技术 已经成为深埋煤矿开采急待解决的技术难题。 1.1.2 研究意义 长期以来，面对煤矿生产遇到的各种底鼓问题，国内外众多学者和专家对其发生机 理和治理技术展开大量研究，并且提出了一些针对实际工程的底鼓治理措施，控制住了 巷道底鼓，取得了良好的经济效益。然而，由于深埋煤矿巷道岩体力学特性、应力分布 状况及地质构造复杂多变，区域性强，前人通过某些区域煤矿底鼓现象得到了许多有关 阐述底鼓发生机理的研究成果，未能从根本上解释底鼓发生的本质原因。因此，在煤矿 开采中，某些工程技术人员面对底鼓问题时，盲目借鉴他矿的底鼓治理措施从而增加巷 道返修费用，影响巷道通风与运输。深埋巷道底鼓问题将是影响深部开采的主要因素， 继续研究深埋巷道底鼓发生机理及及治理技术问题成为深井开采中急需解决的若干关 键问题 [11-13]。 彬长矿区某矿的 2辅助运输大巷属于 41 盘区三大运输大巷之一，西端距 4 号联络 巷 50m100m 处发生底鼓（见图 1.2） ，底鼓量约为 300mm，南侧底鼓量大于北侧底鼓 量。矿方对该巷道底鼓区段进行一次起底，但是一个月后巷道底鼓再次发生，而且底鼓 量越来越大，达到 400mm，直墙角逐渐变成圆角，轨道严重变形，见图 1.3。矿方经过 多次起底， 底鼓仍得不到根治。 巷道的严重变形直接影响到巷道的正常使用和安全生产， 必须采取相应的治理底鼓措施。 图 1.2 大巷底板起底前变形 图 1.3 底鼓致使轨道倾斜变形 万方数据 1 绪论 3 本文将以彬长矿区某矿 2辅助运输大巷为工程背景， 针对深埋盘区岩巷底鼓发生机 理、产生条件、发展过程及底鼓支护技术展开研究，解决 2辅助运输大巷的底鼓问题， 确保大巷正常通风及运输。同时，为彬长矿区其他煤矿盘区岩巷的底鼓治理提供理论和 技术支撑。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 深埋煤矿巷道变形特征 （1）岩石强流变特性 流变主要反映在应力长期作用下岩石不断发生变形，其变形不能完全稳定下来，国 内学者对于岩石流变特性展开了大量研究，也取得了许多成果 [14-16]，对深部岩石流变具 有相对统一的认识。与浅埋岩体相比，深部岩体承受较高的地应力，并且表现出明显的 流变特性，巷道掘进后，其围岩变形持续时间一般为 2560d，有的深埋煤矿巷道围岩变 形持续时间长达半年仍不稳定。 比如彬长矿区某矿 2辅运大巷在初期， 顶板下沉和两帮 收敛均在 1020mm，巷道变形量小，围岩稳定。但是在巷道掘进完成 3 个月后，围岩 变形开始增大，顶板下沉量在 100500mm 之间，同时出现严重的底鼓。 （2）围岩分区破裂化 深部巷道掘进扰乱了围岩初始应力场，围岩发生变形的同时伴随着应力场重分布， 当二次应力场超过巷道围岩强度极限时，围岩发生破坏并释放应力，从而使得巷道较深 处围岩产生第一次破裂区。此时，新的开挖边界条件发生改变，变成了第一次破裂区外 边界，当围岩应力再次重新分布，应力再一次释放而产生第二破裂区。按照这种破裂区 演化进程持续下去，直到围岩应力完全释放且不再产生新的破裂区为止，这种交替出现 的破裂区现象在岩石力学中被称为分区破裂化现象 [17-18]。 （3）围岩性质的区域性 深部岩体尽管都面临高地应力、高温和高渗透压力，即“三高”问题，但是不同区 域的巷道围岩性质还是存在差异，而且有的区域差异性挺大。彬长某矿大巷东端（靠近 主副井）埋深 643m，西端（靠近风井）埋深 745.5m，地质资料显示，靠近主副井 1500m 的巷道主要穿过细粒砂岩、粗砂岩以及粉砂岩，而靠近风井 800m 区段的巷道主要穿过 泥岩、砂质泥岩、粉砂岩。依此来看，该巷道不同区段的围岩岩性存在较大差异，如果 采用同一种支护方式，必然无法满足整个大巷的支护要求。事实上，该巷道在进行支护 设计时就是采用同一种支护形式，在掘通后巷道围岩变形确实出现两种不同的结果，具 体表现为靠近主副井这侧的巷道变形量小，巷道十分稳定，而靠近风井一侧巷道变形较 大，已经发生失稳破坏。因此，对于深埋巷道的支护问题，应该根据不同区段的围岩特 性，采用与之相应的支护方式。 4软岩巷道底鼓 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 巷道底板软岩一直是深部开采无法回避的问题之一。 岩石力学中将软岩的概念归纳 为三个方面第一，强调巷道岩体节理发育情况及所处的应力环境，软岩往往存在多个 弱结构面，结构松散，抗扰动性差，易破碎；第二，强调岩体的物理力学特性，其直接 影响到岩体强度，在实际工程中具体表现为，强度相比其他类型岩石较低，普氏系数一 般介于 13，高应力下流变引起变形无法稳定，富含大量蒙脱石膨胀性物质，遇水易膨 胀，强度急剧下降；第三，强调围岩的工程特征，大部分软岩巷道均表现出大变形、矿 压显现迅速且作用时间长等特点。 软岩矿质成分不同于其他岩石，富含膨胀性矿物质，同时还存在多个弱结构面，在 膨胀性矿物质和弱结构面的双重影响下，软岩常常表现出遇水膨胀性、崩解性、流变性 和易扰动的工程特性。正是因为这些特性的存在，使得深埋软岩巷道极易发生底鼓。底 鼓往往成为巷道围岩变形破坏及失稳的突破点，严重威胁巷道的正常使用和安全生产， 归纳我国多个深埋煤矿的底鼓特征可以得到深井底鼓具有以下 3 个特点 1）巷道底鼓量随着埋深的增大而增大； 2）底鼓与巷道围岩性质密切关联，围岩俞软弱，巷道底鼓量愈大，变形速率越大； 3）底鼓受采掘施工的影响很大，同时与支护形式密切相关。 1.2.2 深埋巷道底鼓发生机理 底鼓已成为深埋煤矿开采遇到的普遍而又无法回避的问题， 随着煤矿开采深度的增 加，巷道底鼓问题严重制约了煤矿开采效率。为此，国内外众多研究人员通过大量努力 和探索，从底鼓发生机理方面寻找突破口，期望掌握底鼓发生的真正成因，从而采取合 理有效的底鼓控制措施。底鼓机理研究工作取得了很多成果 [19]，从不同力学角度分析底 鼓机理，指导了工程实践。 K.Haramy [20]认为巷道底板隆起主要发生在底板中间，底角变形相对较小，可以将底 板岩层近似看成两端固定的梁在竖向荷载作用下的变形， 在这个假设基础上建立了底鼓 巷道底板力学计算模型，并对研究的底鼓巷道底板围岩压力和变形进行分析，为底鼓治 理措施的制定提供了理论依据。 Chugh 和 Afrouz 等 [21,22]人通过对多家煤矿开采过程中出 现的巷道底鼓问题进行调查研究， 同时对底鼓巷道底板所能承受围岩压力极值进行了分 类讨论。研究认为引起巷道底鼓发生的影响因素多达 21 个，其中底板岩性膨胀、巷 道岩体高支撑力以及水理作用是导致底鼓发生的根本原因。 GyselM [23]基于膨胀原理求解 得到某圆形巷道底板岩体在干燥状态和饱和状态下膨胀变形量及膨胀过程中释放的应 力，分析表明该巷道底板岩体具有明显的膨胀性，其遇水膨胀变形对巷道周边岩体变形 影响很大， 巷道底鼓如果得不到有效治理， 必将影响巷道两帮和顶板变形。 Rockway D.J. [24]通过对四个不同煤矿巷道底鼓机理研究，分析得到了巷道底鼓发生的过程。 秦巴列维奇 [25] 认为巷道底鼓发生的力学过程可以近似等效为松散土体在由两个压 万方数据 1 绪论 5 模将荷载传递给底板作用下的变形破坏现象， 针对某矿的底鼓问题采用极限平衡法求解 得到巷道底板围岩压力。兹包尔什奇克等 [26]认为底鼓巷道底板隆起的原因很多，不仅受 地板岩层暴露时间和岩层储存的弹性能量释放有关， 同时还跟底板中塑性岩层对下部岩 层移动的阻力密切相关。针对某矿的底鼓问题，通过分析底鼓发生机理解释了该巷道的 底鼓发生过程。 利特维斯基 [27]提出巷道底板局部性破坏准则。切尔尼亚克 [28]采用回归分析法对某 煤矿软岩巷道现场监测得到的底鼓变形数据进行处理， 通过拟合底鼓变形曲线推导出估 算底鼓量的计算公式，为深埋软岩巷道支护设计及底鼓防治措施制定提供了理论依据。 奥顿哥特 [29]采用物理方法对某矿巷道底板变形破坏的整个阶段进行了真实地再现， 直观 地认识到底鼓发生过程中的围岩变形特征以及监测得到底板受力状态的改变过程。 研究 结果表明巷道掘进后两帮竖向应力急剧增大引起帮部围岩发生破裂，导致围岩抵抗水 平变形能力降低， 致使顶底板承受较大水平应力而受压鼓出， 其中底板鼓出的比较明显， 形成底鼓。 何满朝 [30]将巷道底鼓看成平面应变问题， 求解得出巷道底板任意点的应力状态及各 点之间的相对位移。再结合岩石强度理论判断最易发生破坏的底板岩层，为底鼓防治技 术提供理论依据。 张军 [31]对超千米深井高应力巷道地层条件按照岩性不同而划分了多个 区域，结合室内试验和相关理论建立了各区域巷道岩体受力计算模型，给出了不同区域 巷道围岩围岩变形破坏的经验计算公式和评判准则。 采用该计算理论对研究的底鼓巷道 围岩结构受力进行分析， 最终提出整个巷道围岩不同区域的岩体构成了一个相互作用的 整体， 任意区域的巷道围岩发生应力状态改变必然会引起其他区域围岩应力发生相应的 变化，巷道应该做到全断面支护。 冯江兵等 [32]采